Строительство и архитектура/5. Теплогазоснабжение и вентиляция

Кубис В.А., Полковов В.Л.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Утилизация теплоты при производстве двуокиси углерода в тепличных комплексах

Для увеличения урожайности растений защищенного грунта часто используют метод повышения концентрации углекислого газа в помещении теплиц.

Средняя концентрация СО₂ в атмосфере ~390 ppm, при этом потребность растения для интенсивного роста составляет порядка 800÷1000 ppm.

Для различных растений необходимое дополнительное количество СО₂ варьируется в диапазоне от30 до 600 кг/(час·га).

Самый простой и дешевый способ получения СО₂ это сжигание газообразного топлива в существующей котельной и использование дымовых газов для ассимиляции их в атмосферном воздухе внутри теплицы.
Важным является то обстоятельство, что максимальное потребление СО₂ растениями наблюдается в дневное время в период активного фотосинтеза, и в замкнутом пространстве теплиц в это время содержание СО₂ резко падает. Таким образом существует необходимость производства СО₂ именно в дневное время.

Если в отопительный период получение СО₂ не приводит к проблемам в поддержании требуемых климатических режимов (температура, влажность) внутри теплицы, то в летний период (период максимальной вегетации и роста растений) работа котельной приводит к получению “лишней” тепловой энергии. В солнечные летние дни в теплицах практически всегда имеет место повышенное поступление теплоты и именно в это время имеет место дополнительное поступление теплоты от системы производства СО_2. В целях повышения энергоэффективности теплицы необходима простая система теплоутилизации. Наиболее технически простым и эффективным является способ аккумулирования тепловой энергии и использования ее для отопления теплицы в ночное время и для подогрева поливочной воды.

Расчёт требуемого количества воды, необходимой для аккумулирования тепловой энергии при производстве СО₂ в неотопительный период, в теплице площадью 6 га, приведён в таблице 1.

Основными исходными данными для расчёта объёма бака аккумулятора являются:

· удельное количество СО₂, в зависимости от вида растений, кг/(час·га);

· площадь посаженных растений, га;

· время производства СО₂, час/сут;

· максимальное время накопления тепловой энергии в баке, суток;

удельное изменение температуры воды в баке, ºС/час.
При расчёте использовались следующие исходные данные: удельное количество СО₂ в дымовых газах – 10%; калорийность природного газа – 50 222,3 кДж/кг; КПД котельной – 0,93; удельное количество воздуха при горении природного газа – 17,18 кг/кг,

Необходимое количество и объем воды в баке аккумуляторе находим по формулам:

G_бак = Q_бак/(с_р·dt_бак) (1)

V_бак = G_бак/ρ(P;t_максТК) (2)

Где Q_бак – количество тепловой энергии, «утилизируемой» в баке, кДж; с_р– теплоёмкость воды, кДж/(кг·ºС); dt_бак– прирост температуры воды в баке, ºС/сут; V_бак – объём воды в баке, м³; ρ(P;t_максТК) – объёмная плотность воды, при максимальной средней температуры в тепличном комплексе, включая бак аккумулятор, кг/м³.

В таблице 1 приведен расчёт необходимого количества воды для аккумулирования тепловой энергии в летний период, при производстве СО₂.

Таблица 1

Удельное количество СО2	dGсо2	200	кг/(час·га)
Площадь тепличного комплекса	Sтк	6	га
Количество СО2	dGсо2	1200	кг/час
Коэффициент отбора дымовых газов	kдг	0,8
Время производства СО2	Тсо2	6	час/сут
Время накопления тепловой энергии	Тнак.тэ	2	сут
Удельный прирост температуры воды в баке	dtбак	45	ºС/сут
Требуемое количество воды в баке	Gрасч.бак	1,10х10^6	кг
	Vрасч.бак	1 143,22	м³

Для устойчивой работы системы отопления и удаления воздуха из отопительных приборов необходимо абсолютное давление теплоносителя в местах воздухоотведения порядка 50 кПа. Для обеспечения данного требования статическое абсолютное давление в системе теплоснабжения должно быть:

Р_ст ≥ ρ·g·h_от.пр+ ΔР_в.отв + Р_бар (3)

где ρ – объёмная плотность теплоносителя, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²;

h_от.пр – максимальная высота расположения отопительного прибора, м; ΔР_в.отв – перепад давления для преодоления гидравлического сопротивления устройства воздухоотведения (воздухоотводчика), Па; Р_бар – барометрическое давление, Па.

В целях защиты бака и системы отопления от коррозии, для снижения количества кислорода в теплоносителе, бак герметичен (не связан с атмосферой) и верхняя часть объёма бака заполнена азотом (N₂).

Расчёт требуемого статического давления воды в системе приведён в таблице 2.

Таблица 2

Максимальная температура воды в ТК	tмакс.ТК	90	ºС
Минимальная температуры воды в ТК	tмин.ТК	15	ºС
Высота расположения отопительных приборов	Нот.пр	5,5	м
Запас напора на отвод воздуха	Нотв.возд	5	м
Статический напор в системе теплоснабжения	Нст.от	10,5	м
Статическое избыточное давление (минимум)	Рст.мин	102,94	кПа
		1,05	атм
Географическая высота над уровнем моря	Нур.м	170,0	м
Барометрическое давление	Рб	99 297,6	Па
Максимальное барометрическое давление (Пенза)	Рб.макс	767,0	мм.рт.ст
		102,3	кПа
Статическое абсолютное давление (минимум)	Рст.мин	205,2	кПа

Конструктивные размеры бака зависят, в том числе, от технологических возможностей по изготовлению бака и от возможного места размещения бака.

Исходными параметрами при конструктивном расчёте бака являются: количество воды в баке, кг; количество воды в системе отопления тепличного комплекса; минимальная температура воды в баке и в системе отопления тепличного комплекса; максимальная температура воды в баке и в системе отопления тепличного комплекса; минимальное статическое абсолютное давление в системе теплоснабжения, кПа; диаметр сечения бака, м; толщина стенок бака, мм; толщина и теплопроводность изоляции бака.

Использование баков аккумуляторов на практике уже доказало свою эффективность, однако требуются устройства для более точного измерения уровня воды в баках аккумуляторах. Необходим анализ схем присоединения баков аккумуляторов к системам отопления теплиц для оценки эффективности последних.